誤差補償在提高數控機床機械加工精度中的實踐解析

顧長林

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術學校，鹽城 224000）

近年我國從制造大國向制造強國不斷邁進，力求推動工業(yè)領域向國際前沿靠攏，以增強我國制造加工業(yè)在國際市場上的競爭力。數控機床是打造我國高端制造業(yè)形象的核心力量，需要不斷提高其加工生產精度，減少設備生產的數據誤差，從根本上提高我國的工業(yè)生產水平。人們需要了解數控機床在加工生產過程中的誤差特點及其出現(xiàn)規(guī)律，采用合理技術進行誤差補償，以便能夠有效減少產品的質量問題，提高機械加工生產的精密度。

1 數控機床加工存在的精度誤差源

完整的數控機床系統(tǒng)由夾具、機床、工件、刀具4 個部分構成，在加工生產過程中需要各個部件的精密配合，實現(xiàn)對工件位置和位姿的準確調整。然而，系統(tǒng)運行期間由于各種外界干擾因素的存在，機械難以完全按照預設的程序軌跡運動[1]，極易導致各種加工誤差問題的出現(xiàn)，主要包括力誘導誤差（Force Induced Errors，F(xiàn)IEs）、幾何誤差（Geometric Errors，GEs）、熱誘導誤差（Thermal Induced Errors，TIEs）等。其中，熱誘導誤差相較于其他兩種情況更易控制，可以通過配備機床恒溫控制系統(tǒng)來減少環(huán)境干擾問題。因此，當前數控機床在加工生產過程中面臨的主要障礙因素為幾何誤差和力誘導誤差。各種誤差的發(fā)生概率如表1 所示。

表1 數控機床生產期間的誤差分類與概率 單位：%

2 精度誤差補償的核心技術

2.1 誤差建模

誤差建模是指結合材料、工藝、設計等相關因素分析數控機床生產誤差產生原因的過程，從而準確識別其中存在的誤差因素，通過參數調整來減少誤差干擾現(xiàn)象，可以分為綜合模型和元素模型兩種。

綜合模型需要考慮的因素包括位移變量、溫度變量以及切削力變量。通常在建立綜合模型的過程中，可以使用經驗法和相關分析法兩種方法。前者主要是根據加工要求或工件規(guī)格、材質來初步選擇與之特征相符合的建模變量，隨后根據設備和現(xiàn)場加工條件對變量進行二次優(yōu)選；后者則是直接采用統(tǒng)計學分析的方式，借助相關系數，分析兩個變量之間的相關程度，從而建立車床各個作業(yè)部件的運動模型，并分析整個加工流程中存在的誤差因素[2]。

元素模型是指針對某一關鍵作業(yè)部件的誤差數據進行模擬分析，如刀具位置誤差、主軸定位誤差以及設備在加工生產期間出現(xiàn)的熱變形與承重變形等[3-5]。提取誤差數值并帶入對應的補償公式，便可以通過實驗論證的方式判斷誤差影響和糾偏范圍。這一建模方法能夠針對某一關鍵環(huán)節(jié)進行分析，但是通用性較差，且在部分參數多變的加工環(huán)節(jié)容易與其他變量之間產生相互干擾，因此適合與綜合模型配合使用。

2.2 定位測量

定位測量是指以機床加工生產期間的每個獨立環(huán)節(jié)為依據，分別對其方向和位置參數進行測量，從而精準識別其中的誤差成分[6-7]。在實際運用過程中，它的常用方法為確定項誤差測量法。確定項誤差測量法通常是采用現(xiàn)代化高精度測量儀器來測量工件規(guī)格、位置以及位姿等相關參數，以判定工件生產期間存在的誤差范圍，并對其偏差值進行適當的補償調整。例如，在3D 數控機床設備中，通?？梢约虞d雙頻激光儀測量關鍵生產環(huán)節(jié)的誤差數值，并配合電子水平儀設備監(jiān)測工件的各項參數，從而全面采集機床加工生產期間的溫度、位置偏差，進而有效提高測量效率。

2.3 補償實施

補償實施是根據誤差建模與定位測量結果進行設備控制，使數控機床自行校正加工生產過程中的誤差數值[8-9]。國內常見的誤差補償技術包括數字控制（Numerical Control，NC）系統(tǒng)補償法、前饋補償法等。NC 系統(tǒng)是數控機床的核心部分，主要負責下達各項操作指令。補償實施的原理是將誤差測量與分析結果以脈沖信號的形式傳遞到系統(tǒng)中，對比實測值與系統(tǒng)初始設定值，從而判斷需要進行補償的偏差數值，隨后將得出的計算結果重新反饋至NC 系統(tǒng)，將其疊加至原有設定程序后進行反饋補償處理。前饋補償法是直接作用于機床的伺服電機，根據測量與建模分析結果獲取機床偏差數值后將其轉化成一定量的電信號用于控制伺服電機，從而精準調節(jié)機床的各項輸出功率。

3 誤差補償在提高數控機床機械加工精度中的應用

3.1 G 代碼修改補償

G 代碼是指定NC 模塊各種控制功能的標準化機器語言，通常用于編寫各類簡單指令，如控制機床移動、加工物料等。G 代碼在數控機床生產中通?？梢杂糜谠O定刀具補償功能。例如，通過“G44、G43”代碼對刀具進行長度補償。根據工件的幾何參數和加工生產期間存在的切削誤差、熱誤差素質調整刀具補償的長度，確保能夠滿足工件生產要求。此外，對于部分較為復雜精細的工件，也可以借助計算機設備更深層次地修改G 代碼，使NC 系統(tǒng)能夠在生產期間下達更精確的指令。

例如，使用后置處理器編寫刀具位姿的指令序列時，可以根據誤差數值進行參數化建模，以任意一軸在x、y和z這3 個方向上的角度誤差與線性誤差為基礎建立數學幾何誤差模型，并由此計算其角度補償量和平動補償，從而得到理想的刀具位姿參數，同時將其輸入NC 系統(tǒng)用于調整機床的作業(yè)參數。不僅能夠有效減少加工生產期間的偏差數值，還能夠根據當前參數結果模擬工件生產效果，從而進一步開展優(yōu)化調整作業(yè)。

3.2 誤差補償器

誤差補償器是在機床進行工件生產期間為其提供實時誤差補償，從而有效提高數控機床的加工生產進度。例如，在機床絲杠進給系統(tǒng)的誤差補償器設計中，造成其進給偏差的主要因素是熱變形，因此除了改良系統(tǒng)的制冷功能之外，還可以進一步采用熱補償器的形式來抵消絲杠的變形影響，從而有效提高數控機床進度。

例如，借助可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統(tǒng)建立分段熱補償方案，根據絲杠在受熱后各階段的變形特征數據建立標準化的熱變形模型，隨后在機床作業(yè)期間時刻檢測絲杠各段的熱誤差值，通過與模型進行對比分析計算相應的熱補償數值，以有效補償機床工作臺移動到絲杠各段的熱誤差，從而有效解決由于環(huán)境因素引起的溫度誤差，提高機床的穩(wěn)定性和加工精度。

3.3 空間誤差補償綜合建模

空間誤差補償法通常用于多體系統(tǒng)數控機床中。此類機床由多個柔體或者剛體組成，因此組織結構較為復雜。在這一過程中可以分別從其構成零件入手，從低序體陣列逐步推導描述整個系統(tǒng)的拓撲結構，以逐漸厘清不同變量之間的關系。

首先，建立標準坐標系。工作人員需要根據機床系統(tǒng)的構成特點建立機床零部件的坐標系，以便直觀反映夾具、機床、工件、刀具等各零部件的相對位置關系，同時確保按照高、中、低的坐標關系對其進行轉化，從而直觀反映物體的運動特點，確保能夠直觀把握系統(tǒng)位置、坐標以及理想參數，并準確識別其中存在的各項誤差。

其次，分析坐標誤差。在工件定位過程中，通常需要考慮數控機床的6 個自由度（3 個自由度轉角和3 個平移），因此在作業(yè)生產過程中數控機床會存在6 個基本誤差源。三坐標數控機床有3 個運動軸，機床沿某一方運動時會分別沿3 個軸方向產生角度位移誤差和線性位移誤差，且在這一過程中相鄰坐標軸之間會出現(xiàn)垂直誤差，可以確認三坐標數控機床存在21 個空間誤差項。

最后，識別空間誤差參數。誤差參數是進行誤差盤點的前提條件，也是保證系統(tǒng)補償進度的重要依據。因此，在空間誤差補償建模中可以采用9 線法進行參數值提取，即數控機床在沿某一軸方向發(fā)生運動時（如X軸），可以選擇平面YOZ設置3 個互不相關的點位，隨后借助激光干涉設備測量其運動發(fā)生時出現(xiàn)的各類誤差數值。

4 結語

針對誤差補償在提高數控機床機械加工精度中的應用展開深入研究，強調機床操作人員需要深入把握誤差形成原因及其基本補償方式，從而根據實際需求靈活運用各類技術手段，提高工件加工質量，提升我國工業(yè)生產水平。